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《浙江大学》 2007年
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光敏象限阵列与磁敏线阵列兼容CMOS数模混合传感器集成电路的设计与研究

郭清  
【摘要】: 基于硅光电传感的象限传感器广泛应用于激光的跟踪制导、位移监控、精密机床等控制等领域。基于硅的半导体磁敏传感器广泛应用于测量磁场强度的各种磁场计、读出磁介质上信息的各类磁头以及非磁信号的探测器等。传统的分立象限传感器和磁敏传感器与CMOS工艺不兼容,不能实现传感器与信号处理电路的单芯片集成,难以实现传感器的SOC和智能化。 本论文研究的主要对象是光敏象限阵列与磁敏线阵列及其兼容的CMOS数模混合信号集成电路,它主要由双重结光电管有源象限阵列和扇形分裂漏磁敏MOS管(MAGFET)有源线阵列、相关二次采样电路、差分放大接口电路和数字控制电路组成。在阵列传感器的设计中,本论文设计了P+/N-well/P-sub双重结光电管和双向扇形分裂漏磁敏MOS管为基本传感单元的阵列传感器。这两种传感器件可以采用相关二次采样电路进行信号采样和噪声抑制。在相关二次采样电路优化设计的基础上,设计了光敏/磁敏兼容的CMOS数模混合信号处理电路。在光敏传感器的设计中,将传统的象限传感器与CMOS图像传感器相结合,在每个象限中设计了基于P+/N-well/P-sub双重结光电管的三管有源像素传感器阵列,象限传感器应用传感阵列来采集信号,可以直接确定目标光源的坐标位置并实现一步到位的快速调整。N-well/P-sub双重结光电管比传统的光电二极管具有较高的光谱响应范围和感光灵敏度。在磁敏传感器的设计中,为了在芯片内部实现屏蔽磁场的功能,设计了一对共源极的双向扇形MAGFET,在开关电路的控制下工作在两个工作模式:在测量磁场的工作模式下实现磁敏传感器的功能;在屏蔽磁场的工作模式下实现检测磁敏传感器噪声的功能。针对双向扇形MAGFET的两种工作模式,在其信号处理电路的设计中,提出了两种工作模式的异步取样信号处理电路和同步取样信号处理电路两种模式。 本论文设计的光敏象限阵列和磁敏线阵列分别由4×4的有源双重结光电管阵列和4×1有源双向扇形MAGFET阵列组成,双重结光电管的面积为100μm×100μm,共源极双向扇形MAGFET的沟道半径为48μm,源极半径为10μm,源极展角为90°。该集成电路芯片采用0.6μm标准CMOS集成电路工艺制造。 芯片的测试结果表明,P+/N-well/P-sub双重结光电管比传统的光电二极管具有较小的暗电流、较大的感光灵敏度(25 V/lx·s)、感光动态范围(变频扫描下达到139dB)和敏感照度范围(0.01lx~98,000lx)。与矩形MAGFET3.0%的灵敏度相比,扇形MAGFET具有更大的灵敏度,达到3.63%。磁敏传感器信号处理电路的测试结果表明,异步取样信号处理电路采用一个双向扇形MAGFET作为传感单元,两种工作模式匹配度较好,传感器电路结构简单,但是两种工作模式的时序不同步容易造成传感信号在保持过程中发生畸变。同步取样信号处理电路不存在时序不同步而导致的噪声,但是由于采用两个双向扇形MAGFET作为传感器件,电路结构复杂,两种工作模式的匹配度不高。磁敏传感器同步取样的信号处理电路,在20KHz的工作频率下,磁场的测量范围为0.01T~0.5T,磁敏传感器的灵敏度达到2.62V/T。 光敏象限阵列与磁敏线阵兼容CMOS数模混合信号传感器集成电路实现了在一个芯片上同时传感光信号和磁信号的功能,在多参量传感器兼容集成和传感器阵列集成研究领域中有一定的创新。该两种物理量的传感系统可以用于近程(磁敏)和远程(光敏)位移传感器和智能识别系统。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TP212;TN402

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1 郭清;光敏象限阵列与磁敏线阵列兼容CMOS数模混合传感器集成电路的设计与研究[D];浙江大学;2007年
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